一种增强散热的功率模块的制作方法

本发明属于功率模块技术领域，具体涉及一种增强散热的功率模块。

背景技术：

随着技术的发展，对电力电子器件高电压、大电流、大功率、小体积等要求不断提高，使得单一器件的性能显得捉襟见肘，因此将众多的功率半导体模块通过串并联方式连接，以提高电压电流等级或实现特定电气功能。这些功率模块集成在一个封装里，并共用同一个散热基板集中进行散热，成为当今功率半导体发展的主流。

集成式功率模块改善了单一器件电压电流等级低的情况，提供了丰富的电压电流组合，压缩了封装体积，集中散热的优势减少了散热器的体积，因此大大减少了其在应用系统中占据的面积，能够更好地提高电力电子装置的效率和性能，更好地进行能源的变换和利用，因此集成式功率模块被越来越多地应用在功率电子系统中。

然而，高的封装密度导致更高的功率密度和更高的工作温度，高的工作温度导致失效率的增加和可靠性的降低。相关数据统计分析表明，器件工作温度每上升10℃，失效率增加一倍，并且温度的变化会导致模块各层材料因热膨胀系数的不同产生应变失效，因此如何提高功率模块的散热效能成为电力电子行业亟待解决的问题。

技术实现要素：

为了解决现有技术中存在的上述问题，本发明提供了一种增强散热的功率模块。本发明要解决的技术问题通过以下技术方案实现：

本发明提供了一种增强散热的功率模块，包括功率模块主体、增强散热结构和硅胶封装结构，其中，

所述功率模块主体封装在所述硅胶封装结构的内部；

所述增强散热结构包括散热板和多根散热引线，所述散热板设置在所述硅胶封装结构的上方；

所述功率模块主体包括多个功率芯片，其中，所述散热引线的一端键合至所述功率芯片，另一端键合至同一功率芯片或不同功率芯片，并且所述散热引线的中段穿过所述硅胶封装结构且连接至所述散热板。

在本发明的一个实施例中，所述散热引线的中段通过导电材料粘结至所述散热板的下表面。

在本发明的一个实施例中，当所述散热引线的两端键合至同一功率芯片时，所述散热引线两端键合点的距离为所述散热引线的最大高度值的75％-80％；当所述散热引线的两端键合至不同功率芯片时，所述散热引线两端键合点的距离为所述散热引线的最大高度值的30％-40％。

在本发明的一个实施例中，所述功率模块主体还包括功能引线和设置在所述功率芯片下表面的直接覆铜板，其中，

所述功率芯片自上而下依次包括第一金属层、第一绝缘层、第二金属层、第二绝缘层以及芯片主体；

所述第一金属层上设置有多个散热引线键合点，所述散热引线的两端分别键合至位于同一功率芯片的两个不同的散热引线键合点上，或者键合至位于不同功率芯片的两个散热引线键合点；

所述第二金属层未被所述第一金属层和第一绝缘层覆盖的上表面设置有多个功能引线键合点，所述功能引线的一端键合至所述功能引线键合点，另一端键合至所述直接覆铜板。

在本发明的一个实施例中，所述第一金属层的厚度为所述第二金属层的厚度的三倍，所述第一绝缘层的厚度为所述第二绝缘层的厚度的两倍。

在本发明的一个实施例中，所述多个散热引线键合点阵列排布在所述第一金属层上，所述多个功能引线键合点阵列排布在所述第二金属层上。

在本发明的一个实施例中，相邻所述散热引线键合点的间距与所述散热引线键合点自身长度的比值为1.5-2.5。

在本发明的一个实施例中，所述散热板的下表面与所述直接覆铜板的垂直距离为x1＝(1+s)*(1+δ)*x2，其中，x2为所述功能引线的最高弧度顶点与所述直接覆铜板的垂直距离，s为所述硅胶封装结构的材料收缩率，δ取值为10％～20％。

在本发明的一个实施例中，所述散热板与接地端之间设置有反偏二极管。

在本发明的一个实施例中，所述散热引线位于所述硅胶封装结构外侧的部段由导电胶覆盖并固化。

与现有技术相比，本发明的有益效果在于：

1、本发明的功率模块通过散热引线将功率模块主体连接至位于硅胶封装结构外侧的散热板上，能够显著增强功率模块的散热能力。

2、本发明的功率芯片上分为位于第一金属层的散热引线键合区和位于第二金属层的功能引线键合区，避免了在同一金属层上同时键合功能引线和散热引线造成的功率芯片可靠性降低。

3、本发明的功率模块具有结构简单、易于批量加工及使用方便等优点，工程应用可实施性较佳。

以下将结合附图及实施例对本发明做进一步详细说明。

附图说明

图1是本发明实施例提供的一种增强散热的功率模块的结构示意图；

图2是本发明实施例提供的一种功率芯片的结构示意图；

图3是本发明实施例提供的一种功率芯片的俯视图；

图4是图3沿m-m线截取的截面图；

图5是示出了散热板、功率芯片和功能引线的位置关系的结构示意图。

附图标记说明：

1-功率模块主体；101-功能引线；102-功率芯片；1021-第一金属层；1022-第一绝缘层；1023-第二金属层；1024-第二绝缘层；1025-芯片主体；1026-散热引线键合点；1027-功能引线键合点；103-直接覆铜板；104-基板；105-散热层；2-增强散热结构；201-散热板；202-散热引线；3-硅胶封装结构；4-外壳；a-散热引线键合区；b-功能引线键合区。

具体实施方式

为了进一步阐述本发明为达成预定发明目的所采取的技术手段及功效，以下结合附图及具体实施方式，对依据本发明提出的一种增强散热的功率模块进行详细说明。

有关本发明的前述及其他技术内容、特点及功效，在以下配合附图的具体实施方式详细说明中即可清楚地呈现。通过具体实施方式的说明，可对本发明为达成预定目的所采取的技术手段及功效进行更加深入且具体地了解，然而所附附图仅是提供参考与说明之用，并非用来对本发明的技术方案加以限制。

应当说明的是，在本文中，诸如第一和第二等之类的关系术语仅仅用来将一个实体或者操作与另一个实体或操作区分开来，而不一定要求或者暗示这些实体或操作之间存在任何这种实际的关系或者顺序。而且，术语“包括”、“包含”或者任何其他变体意在涵盖非排他性的包含，从而使得包括一系列要素的物品或者设备不仅包括那些要素，而且还包括没有明确列出的其他要素。在没有更多限制的情况下，由语句“包括一个……”限定的要素，并不排除在包括所述要素的物品或者设备中还存在另外的相同要素。

请参见图1，图1是本发明实施例提供的一种增强散热的功率模块的结构示意图。本实施例的功率模块包括功率模块主体1、增强散热结构2和硅胶封装结构3，其中，功率模块主体1封装在硅胶封装结构3的内部，硅胶封装结构3用于保护功率模块主体1内部材料和结构，避免水蒸气等外界物质进入而损坏功率模块主体1；增强散热结构2用于对功率模块主体1提供散热作用，增强散热结构2包括散热板201和多个散热引线202，散热板201设置在硅胶封装结构3的上方，即散热板201的下表面不与硅胶封装结构3的上表面接触；功率模块主体1包括多个功率芯片102，其中，散热引线202的一端键合至功率芯片102，另一端键合至同一功率芯片102或不同功率芯片102，并且散热引线202的中段穿过硅胶封装结构3与散热板201的下表面连接。

具体地，请参见图1，在本实施例中，所述多根散热引线202中的一部分散热引线202的一端键合至功率芯片102的一个键合点，另一端键合至同一功率芯片102上的另一键合点；而所述多根散热引线202中的剩余部分散热引线202的一端键合至功率芯片102的一个键合点，另一端键合至另一功率芯片102上的键合点。也就是说，所述多根散热引线202中的一部分散热引线202的两端键合在同一功率芯片102的不同位置处，而剩余部分散热引线202的两端键合在不同功率芯片102上。与此同时，所有散热引线202的中段均穿过硅胶封装结构3，并分别通过导电材料粘结至散热板201的下表面，从而实现各个功率芯片102之间以及功率芯片102与散热板201之间的热量交换，用于将功率芯片102上产生的热量引导至散热板201，以降低功率芯片102的温度。

进一步地，功率模块主体1还包括功能引线101和设置在功率芯片102下表面的直接覆铜板103。功率芯片102是该功率模块中的主要发热部件，也就是散热板201和散热引线202用来散热的部件。直接覆铜板103亦称为dbc板(directbondingcopper，dbc)，是功率芯片102应力的主要承担者，用于实现芯片与芯片、芯片与端子的电气连接。功能引线101的一端键合至功率芯片102，另一端键合至直接覆铜板103，用于形成功率芯片102与直接覆铜板103之间的电气连接，以实现功率模块设计的功能。

具体地，请参见图2至图4，图2是本发明实施例提供的一种功率芯片的结构示意图；图3是本发明实施例提供的一种功率芯片的俯视图；图4是图3沿m-m线截取的截面图。本实施例的功率芯片102自上而下依次包括第一金属层1021、第一绝缘层1022、第二金属层1023、第二绝缘层1024以及芯片主体1025。

第一金属层1021上设置有多个散热引线键合点1026，形成该功率模块的散热引线键合区a。散热引线202的两端分别键合至位于同一功率芯片102的两个不同的散热引线键合点1026上，或者键合至位于不同功率芯片102的两个散热引线键合点1026。换句话说，散热引线键合区a为散热引线202的键合区，散热引线202能够实现各个功率芯片102之间以及功率芯片102与散热板201之间的热量交换，以将功率芯片102上产生的热量引导至散热板201，降低功率芯片102的温度。

进一步地，第二金属层1023未被第一金属层1021和第一绝缘层覆盖1022覆盖的上表面设置有多个功能引线键合点1027，形成该功率模块的功能引线键合区b，具体地，功能引线101的一端键合至功能引线键合点1027，另一端键合至直接覆铜板103。也就是说，功能引线键合区b为芯片主体1025的功能引线101的键合区，功能引线101用于形成电气连接，以实现功率模块设计的功能。

在功能引线101键合时，为了满足可通电流能力的需求，多个功能引线键合点1027阵列排布在第二金属层1023上，即将多条功能引线101并排键合，以增加总的通流截面积。若制备过程中的键合设备所能达到的最小键合间距为l0，为了避免散热引线202键合时对功能引线键合区b的影响，功能引线键合区b内的功能引线键合点1027与功能引线键合区b边界的最小距离l1优选地是键合设备所能达到的最小键合间距l0的3-5倍，这样一方面避免距离l1过窄带来的键合质量问题，另一方面避免距离l1过宽而占用太多的散热面积，使得散热引线键合区a过小而影响散热效果。

在散热引线202键合时，散热引线键合区a内的散热引线键合点1026与功能引线键合区b边界的最小距离l2也为键合设备所能达到的最小键合间距l0的3-5倍。

在本实施例中，功能引线键合区b和散热引线键合区a是在芯片主体1025裸芯制备完成之后，通过淀积绝缘层、淀积金属层、刻蚀等工艺完成。由于散热引线键合区a上键合有大量的散热引线202，为保障器件的可靠性，第一金属层1021的厚度为第二金属层1023的厚度的三倍左右，且第一绝缘层1022的厚度为第二绝缘层1024的厚度的两倍左右。

进一步地，多个散热引线键合点1026阵列排布在第一金属层1021上，多个功能引线键合点1027阵列排布在第二金属层1023上。

散热引线202的材料优选铜，并优选采用球形键合的方式与功率芯片102键合，用于完成功率芯片102和散热板201之间的热量交换，由于其用于散热，可以选用直径较大的引线，因为较细的引线传热的能力弱，即使增加引线数量也无法增加总的散热效率。优选地，相邻散热引线键合点1026的间距l3与散热引线键合点1026自身最长边l4的比值在1.5-2.5之间，但是大于键合设备所能达到的最小键合间距l0，一方面避免引线间距过大造成散热引线的数目较少，另一方面避免引线间距过窄减少散热效率，且无需考虑引线间的各种耦合参数，从而达到高的引线密度。

所述多个散热引线202中的一部分散热引线的一端焊接在一个功率芯片102的散热引线键合区a上，另一端焊接在同一功率芯片102的散热引线键合区a上；所述多个散热引线202中的剩余散热引线202的一端焊接在一个功率芯片102的散热引线键合区a上，另一端焊接在另一个功率芯片102的散热引线键合区a上。请参见图5，图5是示出了散热板、功率芯片和功能引线的位置关系的结构示意图。在本实施例中，功能引线101和散热引线202在两端键合过程中，中间均弯曲成弧形，由于散热引线不导通电流，可承受较大的丝线弯曲。当散热引线202的两端分别键合至同一功率芯片102时，散热引线202两端键合点的距离l5为散热引线202的弧形最大高度值h的75％-80％，这样一方面可提高散热引线的键合密度，另一方面可承受足够的丝线弯曲疲劳，有助于提高散热引线的可靠性；当散热引线202的两端分别键合至不同功率芯片102时，散热引线202两端键合点的距离l6为散热引线202的弧形最大高度值h的30％-40％，以进一步降低散热引线的弯曲疲劳，以适应两个功率芯片不同的温度环境。

此外，在硅胶封装结构3灌注及固化后，利用导电胶将硅胶封装结构3外部的散热引线201及散热引线202在散热板201上的键合点进行覆盖并固化，避免裸露的散热引线202和键合点发生氧化和腐蚀。

进一步地，功能引线101用于实现功率芯片102的电气连接，其一端焊接在功率芯片102的功能引线键合区b上，另一端焊接在其它芯片或直接覆铜板103上，功能引线101通常采用金属材料制备，其具体材料参数和焊接参数的选择与该功率模块的电流传输能力有关，通常采用多条功能引线并联的方式以提高功能引线的通流能力，其功能引线数量与该功率模块所需的通流能力有关。

进一步地，散热板201一方面连接散热引线202的中部，给散热引线202予以机械支撑，另一方面将散热引线202传导出来的热量散发出去。进一步地，散热板201与接地端之间设置有反偏二极管(附图中未示出)，以形成电荷的泄放回路，防止静电将散热引线键合区a的第一绝缘层1022击穿。

继续参见图1，在直接覆铜板103的下表面上还依次设置有基板104和散热层105。基板104能够对功率芯片102和直接覆铜板103起支撑作用，基板104的底部与散热层105连接，完成功率模块内部与外部的一部分热量交换。在基板104与散热层105之间还涂抹有一层导热硅胶(附图中未示出)，用于实现基板104与散热层105的无缝连接，降低空气细缝带来的热阻，提高模块的散热能力。另外，散热层105优选地为铜材料。

此外，本实施例的功率模块还包括外壳4，其中，功率模块主体1、增强散热结构2和硅胶封装结构3均设置在外壳4中，外壳4用于形成对该功率模块材料和结构的保护。优选地，散热板201可以延伸至外壳4的外表面，以提高其散热的能力。

在本实施例中，如图1所示，硅胶封装结构3的下表面高于功能引线101的最高弧度，将功能引线101完全覆盖在硅胶封装结构3的内部，与此同时，硅胶封装结构3的上表面低于散热板201的下表面，以避免与散热板201接触而降低散热板201的散热能力。在设计时，功能引线101的最高弧度与散热板201下表面的间距与封装硅胶材料的收缩率有关。具体地，请参见图5，优选地，散热板201的下表面与直接覆铜板103的垂直距离为x1＝(1+s)*(1+δ)*x2，其中，x2为功能引线101的最高弧度顶点与直接覆铜板103的垂直距离，s为硅胶封装结构3的材料收缩率，δ取值为10％～20％，其原因在于一方面避免散热板距离功率芯片过远，功率芯片所产生热量无法有效通过散热引线传递至散热板上，另一方面避免距离硅胶封装结构太近，在工程实施过程中亦造成硅胶对散热板的包裹而减小散热板的散热效率。

综上，本发明实施例的增强散热的功率模块通过散热引线将功率模块主体连接至位于硅胶封装结构外侧的散热板上，能够显著增强功率模块的散热能力。本发明实施例的功率芯片上分为位于第一金属层的散热引线键合区和位于第二金属层的功能引线键合区，避免了在同一金属层上同时键合功能引线和散热引线造成的功率芯片可靠性降低。该功率模块具有结构简单、易于批量加工及使用方便等优点，工程应用可实施性较佳。

以上内容是结合具体的优选实施方式对本发明所作的进一步详细说明，不能认定本发明的具体实施只局限于这些说明。对于本发明所属技术领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明构思的前提下，还可以做出若干简单推演或替换，都应当视为属于本发明的保护范围。